材料應力腐蝕

材料應力腐蝕

材料在應力和腐蝕環境的共同作用下引起的破壞叫應力腐蝕。這裡需強調的是應力和腐蝕的共同作用。材料應力腐蝕具有很鮮明的特點,應力腐蝕破壞特徵,可以幫助我們識別破壞事故是否屬於應力腐蝕,但一定要綜合考慮,不能只根據某一點特徵,便簡單地下結論。影回響力腐蝕的因素主要包括環境因素力學因素和冶金因素。

基本介紹

  • 中文名:材料應力腐蝕
  • 性質:共同作用
  • 類型:屈服強度
  • 用法:沒有明顯的塑性變形
特點,指標及測試,應力腐蝕因素,環境因素,力學因素,冶金因素,機理及防止,

特點

(1)造成應力腐蝕破壞的是靜應力,遠低於材料的屈服強度,而且一般是拉伸應力(近年來,也發現在不鏽鋼中可以有壓應力引起)。這個應力可以是外加應力,也可以是焊接、冷加工或熱處理產生的殘留拉應力。最早發現的冷加工黃子彈殼在含有潮濕的氨氣介質中的腐蝕破壞,就是由於冷加工造成的殘留拉應力的結果。假如經過去應力退火,這種事故就可以避免。
(2)應力腐蝕造成的破壞,是脆性斷裂,沒有明顯的塑性變形。
(3)只有在特定的合金成分與特定的介質相組合時才會造成應力腐蝕。例如α黃銅只有在氨溶液中才會腐蝕破壞,而β黃銅在水中就能破裂。
(4)應力腐蝕的裂紋擴展速率一般在10^-9~10^-6m/s,有點象疲勞,是漸進緩慢的,這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界尺寸,使剩餘下的斷面不能承受外載時,就突然發生斷裂。
(5)應力腐蝕的裂紋多起源於表面蝕坑處,而裂紋的傳播途徑常垂直於拉力軸。
(6)應力腐蝕破壞的斷口,其顏色灰暗,表面常有腐蝕產物,而疲勞斷口的表面,如果是新鮮斷口常常較光滑,有光澤。
(7)應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但不要形成絕對化的概念,應力腐蝕裂紋並不總是分枝的。
(8)應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂,也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂,其斷口是解理或準解理的,其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。

指標及測試

早期對應力腐蝕開裂的研究是採用光滑試樣,在特定介質中於不同應力下測定金屬材料的滯後破壞時間。用這種方法已積累了大量的數據,對於了解應力腐蝕破壞問題起了一定作用。但還有很多不足之處,主要有:
(1)因數據分散,有時可能得出錯誤的結論。
(2)不能正確得出裂紋擴展速率的變化規律。
(3)費時,且不能用於工程設計。
對應力腐蝕的研究,都是採用預製裂紋的試樣。將這種試樣放在一定介質中,在恆定載荷下,測定由於裂紋擴展引起的應力強度因子K隨時間的變化關係(具體測試方法將在下面介紹),據此得出材料的抗應力腐蝕特性。
例如圖5-1所示Ti-8Al-1Mo-1V,其K1c=100MPa.m1/2。在3.5%鹽水中,當初始K值僅為40MPa.m1/2時,僅幾分鐘試樣就破壞了。如果將值K稍微降低,則破壞時間可大大推遲。當K值降低到某一臨界值時,應力腐蝕開裂實際上就不發生了。這一K值我們稱之為應力腐蝕門檻值,以K1SCC表示(SCC是Stress Corrosion Cracking的縮寫)。
(1)K<K1SCC時,在應力作用下,材料或零件可以長期處於腐蝕環境中而不發生破壞。
(2)K1SCC<K<K1C時,在腐蝕性環境和應力共同作用下,裂紋呈亞臨界擴展,隨著裂紋不斷增長,裂紋尖端K值不斷增大,達到K1C時即發生斷裂。
(3)K>K1C時,加上初始載荷後立即斷裂。儘管初始K值不同,裂紋擴展速率和斷裂時間也不同,但材料的最終破壞都是在K=K1C時發生的。
應該指出,高強度鋼和鈦合金都有一定的門檻值K1SCC,但鋁合金卻沒有明顯的門檻值,其門檻值只能根據指定的試驗時間而定。一般認為對於這類試驗的時間至少要1000小時,使用這類K1SCC數據時必須十分小心。特別是如果所設計的工程構件在腐蝕性環境中套用的時間比產生K1SCC數據的試驗時間長時,更要小心。
除了用K1SCC來表示材料的應力腐蝕抗力外,也可測量裂紋擴展速率da/dt。
下面簡單介紹應力腐蝕破裂的測試方法。
一種是載荷恆定,使K1不斷增大的方法,最常用的是恆載荷的懸臂樑彎曲試驗裝置。另一種測定K1SCC的方法是位移恆定,使K1不斷減少,用緊湊拉伸試樣和螺栓載入。
這兩種方法各有其優缺點。用懸臂樑彎曲方法可得到完整的K1初始-斷裂時間曲線,能夠較準確的確定K1SCC,缺點是所需試樣較多。恆位移法不需特殊試驗機,便於現場測試,原則上用一個試樣即可測定K1SCC值,缺點是裂紋擴展趨向停止的時間很長。當停止試驗時,擴展的裂紋前沿有時不太規整,在判定裂紋究竟是擴展了還是已停止擴展發生困難,因此在計算K1SCC時就有一定誤差。

應力腐蝕因素

環境因素

奧氏體不鏽鋼對鹵化物元素是十分敏感的;同樣,一些銅合金對含氨的環境也是很敏感的。奧氏體不鏽鋼固然對氯化物產生應力腐蝕很敏感,但或鹵素離子並不是唯一的決定因素,產生SCC還必須有氧存在。對加鈮的18-8不鏽鋼研究發現,只要其中有百萬分之幾的氧就能和氯化物共同造成應力腐蝕。奧氏體不鏽鋼在沸騰的MgCl2溶液中,只有氮濃度超過500X10-6才產生SCC,而在氮濃度小於500X10-6時,則不發生應力腐蝕。溶液的PH值對應力腐蝕的敏感性也有很大的影響。

力學因素

經軋制的高強度鋁合金7075-T6板材,當沿著軋制方向取樣作拉伸試驗時,對應力腐蝕的抗力最高,門檻應力可達420MPa;當沿著板寬方向取樣時,其門檻應力則為224MPa;如沿板厚方向取樣作拉伸試驗時,門檻應力只有49MPa,幾乎只有軋制方向的1/10。7075-T6鋁合金所顯示的應力方向性。
圖5-3表示四種高強度鋼淬火回火至大約抗拉強度為1650MPa時,它們的應力強度因子和斷裂時間的關係。試樣經預製裂紋在蒸餾水中施加不同載荷,可看出四種鋼均有一恆定的K1SCC,在K1SCC以下試樣不斷裂。在這四種鋼處理成相同的抗拉強度時,它們的K1SCC也相同,但是當K1>K1SCC時,這四種鋼的斷裂時間相差還是較多的。
熱處理成不同強度的40CrNiMo(4340),其應力腐蝕的裂紋擴展速率和應力強度因子的關係,可見當屈服強度較高時,裂紋擴展表現出兩個階段,開始時裂紋擴展速率隨應力強度因子的增加而升高,當應力強度因子增加到一定數值時,裂紋擴展速率便保持恆定不再與應力強度因子有關了。這一實驗結果具有一定的典型性,幾乎所有的高強度鋼包括馬氏體時效鋼,還有高強度鋁合金都有此規律。

冶金因素

(1)材料成份的影響;
(2)材料組織的影響;
(3)材料強度的影響。

機理及防止

應力腐蝕機理就是滑移-溶解理論。它可以簡單地歸結為四個過程,這就是滑移-膜破-陽極溶解-再鈍化。這一機理所提出的基本概念廣為多數人接受。但是,滑移-溶解機理只能很好地解釋沿晶斷裂的應力腐蝕,而對穿晶型斷裂如奧氏體不鏽鋼的氯脆,卻遇到了很大困難。因為穿晶斷裂型的應力腐蝕,其斷裂表面不是在滑移面上,斷裂具有類似解理的特徵。
防止應力腐蝕的辦法要視具體的材料-介質而定。例如低碳鋼容易產生鹼脆和硝脆。在鍋爐的鉚接和焊接部位,少量的滲漏使溶融的鹽形成局部高濃度的苛性鈉,易產生鹼脆。對於鹼脆就要時時注意鍋爐用水處理,減少PH值或加入強氧化劑使鋼表面鈍化,加入一些抑制劑如硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽都可減緩應力腐蝕,也可用陰極保護的辦法。而對於硝脆則正相反,要增加溶液的PH值,或加入苛性鈉等鹼性物質延緩應力腐蝕,當然,從電化學防護來說也可用陰極保護。對奧氏體不鏽鋼的氯脆,首先從合金的成分加以改進,如從低鎳的18-8型(304、302型)改變成高鎳並加鉬的316型,進而採用A+F的雙相鋼。對奧氏體不鏽鋼也要特別注意冷變形或者焊接後的去除應力處理。

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